This thesis proposes dynamic energy trading mechanism in microgrids for future smart grid. First, it designs a contribution based energy trading mechanism among micro-grids in a competitive market. In each fixed time interval, each micro-grid can be an energy provider or a consumer according to their energy generation and local demand. Under the trading mechanism, there is a distributor which gathers the surplus energy from providers and distributes it to the consumers based on the consumers’ historical contribution level. To design the trading mechanism, a novel contribution based energy allocation policy is proposed. Each consumer which knows this distribution rule decides the amount of requesting energy in order to maximize its utility; that is, the quantity of energy it will receive. Finally, the economic benefits of such trading mechanism are studied by analyzing the decision making procedures of consumers and distributor. The problem is formulated as a non-cooperative energy competition game among the consumers. The existence and the uniqueness of Nash Equilibrium (NE) are shown, and the NE solution is given as a closed-form. Also, even though there are foolish consumers which do not take the given NE solution, a consumer which takes the NE solution will not lose out on its utility. The proposed energy trading mechanism is stable enough to be applied to a practical micro-grid trading market.
Next, it presents the design of an demand-driven energy trading system among microgrids. Each microgrid can be either a provider or a consumer depending on the status of its energy generation and local demands. Under this approach, an aperiodic market model is newly proposed such that trading occurs when one of the consumers requests energy from the trading market. To promote the trading system, a consumer-side reward concept is introduced. The consumer makes a decision on the size of the posted reward to procure energy depending on its required energy level. Providers then react to this posted reward by submitting their energy bid. Accordingly, the posted reward is allocated to the providers in proportion to their energy bids. Moreover, for practical concerns, a transmission and distribution loss factor is considered as a heterogeneous energy trading system. The problem is then formulated as a non-cooperative Stackelberg game model. The existence and uniqueness of Stackelberg equilibrium (SE) are shown and the closed-form of the SE is derived. Using the SE, an optimal trading algorithm for microgrids is provided. The stability of the energy trading system is verified due to the unique SE. In this approach, periodical information or expected waiting time for trading is required for sustaining an energy trading market.
Additionally, it proposes a new metric ’energy independence’ of island, to evaluate the energy trading mechanism. The energy trading mechanism proposed in other studies and the energy trading mechanism proposed in this paper are compared based on the proposed metric. Unlike the conventional method, we consider the temporal flow of the simulation and use various prediction algorithms and actual measurement values that should be considered accordingly. Simulation comparisons show that the proposed demand-driven energy trading algorithm is superior in terms of energy independence. This simulation will not only provide a basis for evaluating energy trading algorithms in the future, but will also provide a methodology for comparing energy trading algorithms.
이 논문은 미래 스마트 그리드를위한 마이크로 그리드에서의 동적 에너지 거래 메커니즘을 제안하였다. 각 고정 된 시간 간격에서 각 마이크로 그리드는 에너지 생성 및 현지 수요에 따라 에너지 공급 업체 또는 소비자가 될 수 있다. 거래 메커니즘을 설계하기 위해 새로운 기여 기반의 에너지 할당 정책이 제안되었다. 이 분배 규칙을 알고있는 각 소비자는 자신의 유틸리티를 극대화하기 위해 요청하는 에너지의 양을 결정한다. 마지막으로, 소비자와 유통 업체의 의사 결정 절차를 분석하여 이러한 거래 메커니즘의 경제적 이익을 연구하였다. 문제는 소비자들 사이의 비 협동 에너지 경쟁 게임으로 분석할 수 있다. 우리는 내쉬 평형점(Nash Equilibrium, NE)의 존재성과 유일성을 증명하였고, NE 해는 닫힌 형태로 제시하였다. 또한 주어진 NE 솔루션을 사용하지 않는 어리석은 소비자가 있더라도 NE 솔루션을 사용하는 소비자는 그 이득을 잃지 않는 성질을 증명하였다.
다음으로, 마이크로 그리드 간의 수요 기반 에너지 거래 시스템의 설계를 제시하였다. 역시, 각 마이크로 그리드는 에너지 생성 및 현지 수요의 상태에 따라 공급자 또는 소비자가 될 수 있다. 이 때, 비주기적인 시장 모델이 새로 제안되어 소비자 중 한 명이 무역 시장에서 에너지를 요청할 때 거래가 일어나는 시스템을 제안하였고, 거래에 참여하도록 유도하기 위하여 소비자 측면 보상 개념이 도입되었다. 소비자는 자신이 필요한 에너지를 받기 위하여 상금의 양을 결정한다. 공급자는 이 상금에 따라 적절한 에너지를 입찰하고, 에너지 입찰에 비례하여 상금이 분배된다. 문제는 비협조 Stackelberg 게임 모델로 구성되며, Stackelberg 평형 (SE)의 존재성과 유일성을 증명하였고 닫힌형태의 해를 도출하였다. SE를 사용하여 마이크로그리드를 위한 최적의 거래 알고리즘이 제공되었고, 이를 통해 에너지 거래 시스템의 안정성을 입증하였다.
또한 에너지 거래 메커니즘을 평가하기 위해 섬의 새로운 '에너지 독립성'을 제안하였다. 다른 연구에서 제안 된 에너지 거래 메커니즘과 본 논문에서 제안 된 에너지 거래 메커니즘이 제안 된 척도에 따라 비교되었다. 기존의 방법과 달리 시뮬레이션의 시간 흐름을 고려하여 그에 따라 고려해야 할 다양한 예측 알고리즘과 실제 측정 값을 사용하였다. 시뮬레이션 비교는 제안 된 수요 주도 에너지 거래 알고리즘이 에너지 독립성면에서 월등하다는 것을 보여준다. 이 시뮬레이션은 장래에 에너지 거래 알고리즘을 평가할 기초를 제공 할뿐만 아니라 에너지 거래 알고리즘을 비교하는 방법론을 제공 할 것이다.
